一文解析超级电容器的构造 - EDLC

　　对于当今的大多数设计团队来说，从事空间受限的电池供电消费电子产品开发将是最具挑战性的任务。除了能够在给定的机箱尺寸内实现所需的功能外，最重要的考虑因素之一是可用功率预算。所有电子设备（例如处理器、无线连接和显示器/UI）的可用空间之间的平衡需要与电池为所有设备供电的空间相抗衡。

　　对于某些应用程序，例如在具有相机闪光灯功能的智能手机中发现的应用程序，峰值功率负载明显高于任何其他用例，尽管是短暂的情况。面临此类挑战的工程师可能会考虑使用超级电容器，也称为双电层电容器 （EDLC），作为满足峰值负载要求的一种方式。超级电容器的存储容量是普通电解电容器的 100 倍，通常可以在 40 毫秒内提供高达 4 安培的电流。此类 EDLC 也是提供备用电源以适应应用程序主电源的瞬时中断的理想候选者。固态磁盘驱动器的备用电源，内存备份，

　　与陶瓷或电解对应物不同，EDLC 不使用介电层。取而代之的是电解质，可以是固体或凝胶状物质，位于两个电极之间（图 1）。这种结构的最终电容与电极的表面积成正比，并且通过使用沉积在铝箔上的动力活性炭作为电极，提供了相当高的电容值。离子吸收到电极表面和从电极表面吸收的过程产生了 EDLC 的充电和放电。

　　图 1：超级电容器的构造 - EDLC

　　EDLC 的结构往往因制造商而异，每个制造商的特性略有不同。例如，Murata的 DMT/DMF 系列（图 2）使用铝层压膜封装，其两面都涂有绝缘塑料层。由活性炭电极和电解质组成的夹层构成多层封装，每片由隔板机械和电气分离。此外，两个电容器形成在单个“袋”封装内，并与连接到中点的引线串联连接，此外还有外电极。Murata 产品的一个示例是DMT334R2S47，这是一款额定工作电压为 4.2 V DC的 470 mF 超级电容器。TDK使用了类似的方法使用其 EDLC252520 系列，例如EDLC252520-351-2F-21，350 mF 和 3.2 V DC工作电压。

　　图 2：村田 EDLC 封装示例

　　相比之下，松下的 Gold 系列 EDLC 采用了几种具有不同特性的结构形式。纽扣电池格式用于内存备份应用和太阳能手表的辅助电源，多个堆叠的纽扣电池排列用于工业和汽车内存备份应用，并且使用更熟悉的圆柱形封装，具有相对较低的 ESR，是用于更高电流的应用，如玩具。一个例子是EEC-S0HD334V，一个 330 mF 5.5 V DC工作电压部件。

　　为了更好地了解 EDLC 的行为和操作，有必要考虑其等效电路模型。从一个简单的第一视角来看，该模型如图 3 所示。

　　图 3：EDLC 的简单等效电路模型

　　请注意，EDLC 内的两个电容器单元的组合创建了一个进一步简化的模型。等效电容减半，有效串联电阻 （ESR） 加倍。然而，该模型没有考虑活性炭电极的实际行为。由于这种沉积会在表面上形成不同深度的层或孔，因此离子的运动会发生变化。这样做的结果是离子可以快速移动到表面的活性炭，但更深层次的离子需要更长的时间。表面快速接受电荷，但较深的层需要更长的时间才能完全充电。为了在等效电路模型中考虑这一点，更准确的表示（见图 4）包含多个并联电容器和串联电阻。

　　图 4：EDLC 的详细等效电路模型

　　通常，大多数超级电容器 EDLC 器件制造商提供的器件电容值从几百毫法拉到几法拉不等，工作电压通常高达 5.5 V DC。虽然它们的电容值和能量存储能力很高，但它们的物理尺寸往往相对较薄。例如，Murata DMF-4B5R5G 1 F、5.5 WV DC部件的尺寸仅为 1.181 x 0.515 x 0.146 英寸（30.00 x 14.00 x 3.70 毫米）。

　　与钽或铝电容器相比，EDLC 可提供超过 100 倍的储能能力。例如，1.5 F 6.3 V 钽电容器可提供高达 20 mJ 的存储能量，而 470 mF 4.2 V EDLC 可存储 2，000 mJ 的能量。考虑到钽电容器在发生短路时会起火、成本高、铝的尺寸大且生命周期有限，因此 EDLC 成为提供高峰值负载或备用电源应用的理想选择，在这些应用中，通常可以提供 10 瓦的输出，对于某些情况，可以提供高达 100 瓦的输出。此外，与使用锂纽扣电池代替 EDLC 相比，锂电池只能提供非常低的功率。

　　为 EDLC 充电通常只需几分钟，具体取决于设备的有效电阻（图 5）。由于 EDLC 具有许多小的内部电阻，因此通常不需要任何外部限流电阻器。

　　图5：EDLC充电-内阻与时间的关系

　　图 6 显示了基于恒流放电的 EDLC 放电循环的一般模型。

　　图 6：EDLC 恒流放电的典型放电曲线

　　图 7 说明了 Murata DMF 系列 EDLC 的情况。由于内部 ESR，在放电时有一个初始电压降，当出现较大的电流条件时，电压降更大。EDLC 的电压随后开始随时间下降。这种下降的速度取决于消耗的电流和标称电容值。在恒功率放电的情况下，电压和时间之间的关系不是线性的，而是基于放电功率 （P）、标称电容 （C） 和瞬时电压电平 V 形成更多的曲线，计算公式为 dv/dt =个人简历。

　　图 7：Murata DMF EDLC 的放电曲线

　　如前所述，有许多用例非常适合 EDLC。

　　图 8 显示了在基于电池的设计中使用 EDLC 作为平衡负载峰值的一种方法。当负载需求超过电池单独可以提供的能力时，组合电源可提供额外的电力来补充电池电源输出，从而满足应用需求。

　　图 8：高峰值负载均衡

　　在本文介绍中提到的用例场景中，提供 EDLC 以提供高峰值功率能力如图 9 所示。这样的峰值负载可能是智能手机上的相机闪光灯功能或容纳电机启动峰值负载。通过为这些功能使用 EDLC 代替使用更高额定值的电池，设计工程师能够将整体 BOM 成本和所需空间降至最低。这在当今空间受限的消费电子设备中尤为重要。

　　图 9：高峰值功率函数

　　EDLC 还可用于在电源不频繁但存在稳定负载条件的情况下存储能量。请参见图 10。在没有其他可靠电源可用的情况下，使用能量收集代替电池的概念正在吸引那些为物联网 （IoT） 应用开发传感器应用的人。从太阳能电池和振动收集器等多个来源收集的能量可以轻松存储在 EDLC 中，以保持无线传感器应用的可靠电源。

　　图 10：能量收集应用的能量存储

　　最终用例是为内存应用程序（例如固态驱动器 （SSD））提供临时备用电源，如图 11 所示。SSD 的电源中断是一个关键事件。由于对缓存内存的依赖，如果电源突然发生故障，任何挂起的磁盘/缓存写入很可能会丢失，因为不会发生正确的待机/关闭过程。为了防止数据丢失和可能损坏的磁盘分区，可以使用 EDLC 来确保关闭和/或缓存写入过程可以无错误地进行。

　　图 11：固态驱动器的备用电源

　　EDLC 作为电池和大电容器的替代品越来越受到设计工程师的欢迎。EDLC 能够提供大量能量、占用很少的电路板空间并具有良好的可靠性和老化特性，因此将非常受欢迎。